- •Гомогенные и гетерогенные реакции
- •Скорость химической реакции
- •Измерение скорости реакции
- •Порядок реакции и константа скорости реакции.
- •Молекулярность реакции
- •Количественные соотношения между скоростью реакции и концентрациями реагентов Реакции первого порядка
- •Определение порядка реакции
- •Теоретические основы химической кинетики в основе современной химической кинетики лежат две теории: теория активных соударений и теория активного комплекса. Теория активных соударений
- •Правило Вант–Гоффа.
- •Теория активированного (переходного) комплекса (переходного состояния)
- •Катализ и катализаторы
- •Теории катализа
- •Ферменты как биологические катализаторы
- •Основные вопросы темы
- •Экспериментальные работы
- •Порядок выполнения работы. Начертите таблицу по образцу, указанному ниже:
- •Тестовый самоконтроль
- •Эталоны решения задач
- •Решение
- •Глава III
- •Учение о растворах.
- •Коллигативные свойства растворов
- •Биомедицинская значимость темы
Правило Вант–Гоффа.
Менее строгую зависимость константы скорости реакции от температуры в отличие от уравнения Аррениуса (18) дает правило Вант–Гоффа, которое носит эмпирический характер. В 1884 году Вант–Гофф установил, что при повышении температуры на 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2–4 раза. Математически эта зависимость выражается соотношением:
= , (23)
где: VT и kT соответственно скорость и константа скорости реакции при температуре Т; VТ + 10 и kТ + 10 – те же величины при температуре (Т + 10), = 24– температурный коэффициент скорости реакции. В общем случае, если температура изменилась на
Т = Т2 – Т1 градусов уравнение (23) принимает вид:
Т/10 (24)
Следует отметить, что правило Вант–Гоффа можно использовать тогда, если реакция проводится при температуре близкой к комнатной. С повышением температуры уменьшается и для многих реакций при очень высоких температурах может стать даже меньше единицы, т.е. повышение температуры начинает вызывать не увеличение, а уменьшение скорости реакции.
Ферментативные процессы характеризуются более высокими значениями температурных коэффициентов (7–10), в особенности процессы денатурации белков. В таких случаях интервал в 100 может оказаться слишком широким и за полученными коэффициентами можно не заметить существенных изменений в механизме того или иного процесса. Во избежание этого рекомендуется брать более узкий интервал температур (20,30,50) и полученные результаты приводить к величине 10 по формуле:
= 10 (25)
Все жизненные процессы протекают в узком температурном интервале, за пределами которого наступает смерть. Обычно это интервал температур от 00С до 45-500С.
Кривая зависимости скорости биологических процессов от температуры имеет три точки: минимум, оптимум и максимум. От минимума до оптимума интенсивность процессов увеличивается. Температурный оптимум у животных колеблется в пределах 35-400С, у растений он выше. Интервал от оптимума до максимума характеризуется уменьшением скорости протекания процессов. Температурные границы жизни обусловлены денатурационными изменениями белков и инактивацией ферментов.
Теория активированного (переходного) комплекса (переходного состояния)
Эта теория – простейший и исторически первый вариант статистической теории химических реакций. Разработана Э.Вигнером, М.Поляни, Г.Эйрингом, М.Эвансом в 30-х годах двадцатого века.
В основу теории также положено представление о столкновении молекул как непременном условии реакции, но при этом рассматривается механизм столкновения молекул.
Если мы рассмотрим такую реакцию: А + В = С, то исходя из теории переходного состояния, можно сказать, что эта реакция протекает так: А + В ⇄ Х С, где А и В – исходные вещества, Х – переходный комплекс, С – продукт реакции.
Что же собой представляет переходный комплекс ? Сразу же после столкновения активных молекул А и В начинается перераспределение химических связей и образование переходного комплекса. Переходный комплекс – это такое состояние взаимодействующих молекул, когда старые связи еще не разорвались, а новые еще не образовались, но перераспределение связей уже началось. Переходный комплекс – эта когда молекулы А и В утратили свою индивидуальность и мы имеем сочетание атомов, промежуточное между А, В и С. Переходное состояние характеризуется непрерывным изменением расстояний между взаимодействующими атомами. В этом существенное отличие переходного комплекса от обычной молекулы, в которой средние расстояния между атомами не зависят от времени. Переходный комплекс не следует также путать с промежуточными продуктами, у которых расстояния между атомами тоже остаются неизмененными.
Следует отметить, что формирование переходного комплекса требует затраты энергии. Энергия, необходимая для превращения реагирующих веществ в состояние переходного комплекса, называется энергией активации. Так как исходные молекулы еще не распались, а уже начали формироваться связи, характерные для молекул продуктов реакции, то, естественно, энергия перехода в активированное состояние (Еа) меньше энергии разрыва связей в молекулах исходных веществ: Ea < E диссоциации. Таким образом, образование переходного комплекса – процесс энергетически более выгодный, чем полный распад вступающих в реакцию молекул. Превращение активированного комплекса в продукты реакции всегда является процессом экзотермическим.
Основной постулат теории переходного состояния состоит в том, что исходные вещества всегда находятся в равновесии с переходным комплексами: А+В ⇄ ХС. Тогда константа химического равновесия образования переходного комплекса равна: . (26)
Из этого выражения концентрация переходного комплекса равна:
X = [A][B] (27)
Затем переходный комплекс необратимо разрушается с образованием продукта реакции С. Количественной характеристикой этого процесса служит частота распада переходного комплекса – Р.
Из статистической механики известно, что число Р зависит только от температуры. Эта зависимость имеет вид:
P = kT/h, (28)
где k – постоянная Больцмана; h – постоянная Планка; Т – абсолютная температура.
Следовательно, для данной температуры число Р одинаково для всех переходных состояний, а скорость какой бы то ни было химической реакции зависит только от концентрации переходных комплексов:
V = [X] (29)
Однако концентрация переходных состояний связана с концентрацией реагентов соотношением (27) и поэтому подставляя значение Х в уравнение (29) получаем выражение для скорости образования продуктов реакции.
V = [A][B] (30)
К обычной реакции взаимодействия А + В ⇄ С применим закон действия масс:
V = kv [A][B] (31)
(Символ kv употребляется для константы скорости в отличие от константы Больцмана).
Приравниваем правые части уравнений (30) и (31), получим:
kv = или kv =P (32).
Из уравнения (32) видно, что при данной температуре константа скорости реакции зависит от константы химического равновесия образования переходного комплекса и от частоты распада переходных комплексов.
Уравнение (32) называется основным уравнением теории переходного состояния.
В отличие от теории активных соударений теория переходного состояния сопоставляет различные возможные комплексы, выявляет большую или меньшую их достижимость и определяет в результате энергетически наиболее выгодный путь реакции.
Таким образом, в основе химической кинетики лежат две теории, которые взаимно дополняют друг друга. Если теория переходного состояния применяется для вычисления абсолютных скоростей электродных процессов, процессов диффузии и т.д., то теория активных соударений хорошо описывает, как правило, реакции в газовой фазе.